罗伯特·胡克

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胡克的显微镜
胡克第一个制造出了万向接头,有时候被叫做胡克接头

  罗伯特·胡克汉语拼音:Huke;英语:Robert Hooke;1635年7月18日-1703年3月3日),英国物理学家、博物学家、实验物理学家、仪器设计师、发明家。生于怀特岛,卒于伦敦。从小喜好机械。1653年进入牛津大学学习,担任了R.玻意耳的助手,1663年获硕士学位。1665年担任伦敦格雷舍姆学院几何教授。1662年起任皇家学会的实验主持人,1663年成为正式会员,1677~1683年任学会秘书,并负责出版会刊。

  在物理学研究方面,胡克早就注意到弹性体所受的力与其形变之间的比例关系。1678年,他首次公布了他的固体弹性定律,后来称之为胡克定律。胡克观察到云母、玻片间空气层及薄膜等在光束照射下的彩色环带。他指出颜色与薄膜厚度的关系和颜色变化的周期性。他还用光在薄膜前后表面反射后的脉冲组合来解释不同颜色的形成。他是光的波动说最早的倡导人之一。

  胡克在1674年提出“一切天体都具有倾向其中心的吸引力或重力”,“天体在未受其他使其倾斜的作用力前保持直线运动不变”,“离吸引中心越近,吸引力越大”。1679年他在给牛顿的信中又进一步提出平方反比关系。由于胡克的数学素养不够,未能解决行星的轨道问题,但他的研究和与牛顿的论争,大大促进了牛顿对万有引力定律的深入研究。

  胡克在热学方面曾与C.惠更斯一起断定在常压下冰的熔点及水的沸点为固定点,并建议以水的结冰温度为温度计的零度,他还认为热是物质粒子机械运动的结果。他较早地观察到矿物晶体的有序排列。

  在机械制造方面,他协助玻意耳改进了O.von盖利克发明的空气泵。在新技术发明方面,胡克对当时出现的各种仪器几乎都作过重大改进或创新,如钟表的弹簧摆轮,毛发湿度计、航海仪器、显微镜与望远镜等。

  1665年,他出版了《显微图集》,第一次把植物动物矿物的显微结构显示在人们面前,并引入了细胞这一名词。他发明的很多设备至今仍然在使用。除去科学技术,胡克还在城市设计和建筑方面有着重要的贡献。但由于与牛顿的论争导致他去世后鲜为人知,近来对胡克的研究逐渐兴起。胡克也因其兴趣广泛、贡献重要而被某些科学史家称为“伦敦的莱奥纳多(达芬奇)”。

早年

  胡克生于英国怀特岛西端的佛雷希瓦特,父亲约翰·胡克是当地的助理牧师。胡克从小就表现出对机械制造和绘画的浓厚兴趣和创造力,画家约翰·霍斯金斯曾看到过小胡克在用他自己从煤炭,红土和白垩作出的颜料作画,认为他有绘画天赋。1648年胡克父亲去世,胡克到伦敦谋生,在约翰霍斯金斯推荐下,成为肖像画家彼得·雷利(Peter Lely)的学徒。不久胡克离开画室进入威斯敏斯特学校读书。校长理查德·巴斯比很看重他的天赋,免除了他的学费,后来两人成了很好的朋友。胡克在威斯敏斯特学校学习了拉丁文,希腊文和欧几里德的《几何原本》等。约翰·威尔金斯(John Wilkins)和天文学家塞斯·沃德(Seth Ward)也注意到胡克在机械制作上的创造力和技巧,并且引导他开始学习物理,天文,和医药化学。1653年胡克得到牛津大学教堂的唱诗班的工作。

早期研究

  1655年物理学家,化学家罗伯特·波义耳应主持牛津大学改革的威尔金斯的邀请,前往牛津建立实验室。胡克得以与波义耳相识,并成了罗伯特波义耳的研究助手。1658-1661年波义耳和胡克对德国发明家奥托·格里克发明的气泵进行改进,并进行了气体的压强和体积的研究,提出了波义耳定律。同时胡克接受了波义耳在《怀疑派的化学家》一书中对四元素说的反驳,并注意到了燃烧的放热现象,他将其与某些物质的溶解放热相类比,认为燃烧是可燃物中含有的“硫素”溶解于空气的过程,但并未发表。

  1662年,在皇家学会会长罗伯特·默雷(Robert Moray)和波义耳的提议下,胡克任皇家学会的试验负责人,负责维护试验仪器,验证和演示实验。由于皇家学会初创,没有资金来源。胡克拿不到薪水,只能仍靠在唱诗班的工作度日。为了解决窘境,胡克设计了一些实验,在国王面前演示,争取到了王室对皇家学会的一些资助。1664年开始胡克开始担任格雷汉姆学院的几何学教授。

显微镜与望远镜

  1665年胡克根据英国皇家学会一院士的资料设计了一台复杂的复合显微镜。有一次他从树皮切了一片软木薄片,并放到自己发明的显微镜观察。他观察到了植物细胞(已死亡),并且觉得他们的形状类似教士们所住的单人房间,所以他使用单人房间的cell一词命名植物细胞为cellua。是为史上第一次成功观察细胞。

  同年胡克出版了《显微术》一书,该书包括了一些他使用显微镜或望远镜进行的观察,包括上述的软木切片。 胡克所用的显微镜至今仍然保存在华盛顿国家健康与医学博物馆中。荷兰工匠列文胡克受《显微术》一书启发,对胡克的显微镜镜片进行了改进,对微生物进行了细致的观察,被称为微生物学之父。胡克随后被皇家学会要求确证列文胡克的发现并予以发表。

  1663年苏格兰天文学家格里高利设计了格里高利望远镜,但在制造时失败了。10年后胡克利用自己高超的机械设计技术成功建设了第一个这种反射望远镜,并使用这一望远镜首次观测到火星的旋转和木星大红斑,月球上的环形山和双星系统。

技术革新与胡克定律

  胡克对当时的机械进行了很多改造,并发明了很多新装置。他发明了锚型擒纵机,也发明了摆轮游丝,通过这一装置,可以按周期控制发条宽紧,至今仍是钟表制作中的关键部件。他也因为这一装置的优先权问题和荷兰物理学家惠更斯产生了长期的争论,直到2006年在英国汉普顿郡一家人的橱柜中发现了胡克的关于皇家学会会议的记录,提供了对胡克有利的证据。他第一个制造出了万向接头,有时候被叫做胡克接头,可以允许刚性杆向任意方向运动,现在仍广泛应用于车辆的传动装置中。虽然意大利数学家卡尔达诺一世纪前就提出了万能接头的想法,但是没有制造出。还有风向仪,水平仪等装置的发明权也常常归功于他。

  1676年胡克对金属器件,特别是弹簧的弹性进行研究后,发表了一条拉丁语字谜,ceiiinosssttuv。(这是当时惯例,如果还不能确认自己的发现,则先把发现打乱字母顺序发表,确认后再恢复正常顺序。)两年后公布了谜底ut tensio sic vis,意思是“力如伸长(那样变化)”即应力与伸长量成正比的胡克定律。

胡克与牛顿

  胡克和牛顿的关系问题一直充满了争论。一般认为,两人彼此存在较大的敌意。争论起源于光学,1672年牛顿在皇家学会阐述自己的观点,认为白光经过棱镜产生色散,分成七色光,他将其解释为不同颜色微粒的混合与分开,遭到主张波动说的胡克的尖锐批评。牛顿大怒,称胡克完全没有理解自己这一划时代发现的意义,并威胁要离开皇家学会。这使得主张微粒说的牛顿一直将已完成的著作《光学》延迟到胡克过世后才出版。光学出版后,奠定了微粒说的统治地位,直到一百多年以后的菲涅耳才重新发现胡克的波动思想。

  1674年-1679年间两人曾通信讨论物体的圆周运动问题,胡克给牛顿写信,说明了他从1660年以后就有的平方反比定律(见万有引力定律)的思想,但是他无法从中推导出开普勒的行星运动定律。通信中出现了常被引用的名言:“如果我看得远一些,那是因为我站在了巨人的肩膀上”一些研究者认为这句话是在讽刺胡克矮小,但考虑上下文并无此意。1684年1月胡克在和爱德蒙·哈雷及雷恩的谈话中声称他已经完成推导,但是哈雷和雷恩并不相信,哈雷随后告诉了牛顿。牛顿则表示在他已经完成的《自然哲学的数学原理》中有推导,哈雷随后促成此书出版,这件事使得胡克十分怀疑牛顿剽窃了他的成果,并从此不愿意公开自己的任何发现。牛顿也因此删去了手稿中所有引用胡克工作的声明。

  牛顿对胡克的敌意在胡克去世后仍未消减。在牛顿影响下,皇家学会取下了胡克的肖像。这可能是胡克没有留下任何肖像的原因。牛顿还试图烧毁大量胡克的手稿和文章,但被阻止。2003年历史学家Lisa Jardine宣称发现了他的肖像, 随后被证明这一画像实际上是尼德兰化学家海尔蒙特。胡克所用的印章上的人头像也被人认为是胡克的像。1728年的钱伯斯百科全书的首页插画也被认为是胡克的半身像。

晚年和身后

  1677年皇家学会秘书亨利·奥登博格去世,胡克继任秘书,在沉重的实验安排之外还要负责管理文档和记录会议等任务。胡克觉得自己无法完成这么沉重的工作,希望皇家学会可以配备助手,但是被拒绝。繁忙的工作,时常的拖欠薪水,以及和牛顿,惠更斯的争论,使得胡克晚年近乎愤世嫉俗。

  胡克终身未婚,他的侄女作为女主人接待宾客,1687年她的去世使胡克受到很大打击。1700年起胡克双目失明,两腿浮肿,出现类似糖尿病的症状。1703年3月3日在伦敦去世,死后在他房间中发现达1万英镑的积蓄,相当于当时一个成功的银行家的财产。胡克去世后,葬于圣海伦主教门教堂(St.Helen's,Bishopsgate),19世纪迁葬于伦敦北部,具体墓地已无法知晓。.